Сколль. Холод и мгла

– Погоди-ка, – перебил меня Дмитрий. – Я не ослышался? Вы хотите разрушить и поднять на поверхность два миллиарда тонн кварцитов?! Понимаешь, что говоришь?

– Прекрасно.

Дима в отчаянии схватился за голову:

– А-а-а. Бред! Как! Ну как, чёрт побери, за несколько лет разрушить и извлечь объём пород в сто двадцать раз превосходящий объём московского метрополитена! Мы скважины малого диаметра в час по чайной ложке пробивали. На сантиметры счёт шёл! Одних убитых алмазных долот целый грузовик набрался.

С переднего ряда поднялся ухоженного вида старичок с аккуратной, клиновидной бородкой.

– Пожалуй, молодой человек, я смогу удовлетворить ваше любопытство, – сказал он.

– Позвольте представить, – перехватил я слово, – доктор физико-математических наук Константинов Антон Игоревич! Работает, точнее работал, в НИИ токов высокой частоты. Антон Игоревич, прошу вас, начинайте.

Глава 4. Крот.

– Профессор Константинов, – представился выступающий. – Возможность быстро проходить крепкие горные породы с минимальными издержками является ключевым условием реализации нашего проекта. В этом, я полностью поддерживаю Андрея Владимировича. Учитывая планы, затраты на разработку и производство буровых головок нам отведено четыре года чтобы разрушить и утилизировать два миллиарда сто миллионов тонн кварцита, миллиард тонн гипсового камня и сто восемьдесят миллионов тонн прочих пород. В сравнении с мировой добычей минеральных ресурсов, которая составляет двенадцать миллиардов тонн в год цифра небольшая. Однако, учитывая, что по большей части придётся разрушать сверхпрочные породы, задача многократно усложняется. Проект подобного масштаба не имеет аналогов в истории человеческой цивилизации. Даже Готардский базовый тоннель настолько уступает «Свартальвхейму», что сравнивать их смешно. Объём перемещенных при проходке этого сооружения скальных пород составляет всего двадцать четыре миллиона тонн.

– Угу, всего! Не забудьте добавить, что на его проходку ушло двадцать лет при бюджете в двенадцать миллиардов долларов! – не удержался от укола Дмитрий.

– Совершенно верно, молодой человек. И всё эти издержки оттого, что для проходки подземных тоннелей использовали традиционные проходческие щиты.

– Наши кварциты не возьмут даже специальные скальные шиты. Только буровзрывные работы спасут.

– Полностью поддерживаю. Современные щиты не способны проходить настолько прочные породы. Они дороги, сложны в производстве и обслуживании, следствием чего является высокая цена сооружения тоннеля. К примеру, средняя цена километра тоннеля в Московском метро составляет сто миллионов долларов. Каждый кубометр полезного пространства обходится бюджету города в сорок три тысячи долларов.

В зале заметно оживились, а Дмитрий снова выкрикнул:

– Попросите мэра выделить мне пару кубометров на пропитание! Обещаю, буду копать их детской лопаткой в смокинге.

Профессор поднял руку и дождавшись тишины продолжил:

– На себестоимость влияет цена и обслуживание щитов и прочего оборудования, высокая стоимость тюбинговой отделки, а также сложные гидрогеологические условия. В том же Готардском тоннеле, за счёт проходки в скальном грунте цена полезного кубометра составила девятьсот долларов.

– Если по этой схеме считать нам потребуется всего-то один триллион триста двадцать четыре миллиарда долларов. Только одно «но», в нашем случае сумму можно смело умножать на четыре. Сравнивать трещиноватые скалы в Альпах и сверхпрочные кварциты некорректно!

– Ошибаетесь, молодой человек! – ответил профессор. – И на несколько порядков ошибаетесь. Девяносто семь процентов расходов при проходке – обслуживание сложных технологических конструкций проходческих щитов, гидравлическая система, масла, подшипники и иные конструкционные узлы. Высокая стоимость щита, зарплата тысячам квалифицированных рабочих и инженеров, расход сотен тонн технологических жидкостей так же вносят свою лепту. При использовании моего оборудования дело обстоит ровно наоборот. Девяносто пять процентов расходов чистая энергия. И если вы так шустро считаете в уме, то вот вам простая задачка: цена газа пять рублей за кубометр. Для генерации электроэнергии, требуемой для разрушения кубометра кварцита, расходуется три с половиной кубометра, для гипса – один. Какова себестоимость проходки «Свартальвхейма» в американских тугриках?

Дима быстро забегал пальцем по кнопочкам виртуального калькулятора.

– Не может быть! Триста девяноста два миллиона… Фантастика!

– Вообще-то газ мы свой планируем добывать, а себестоимость топливных метановых элементов нам ещё толком неизвестна, – добавил я свои соображения. – Профессор, прошу, продолжайте!

– Бурение горных пород – один из самых затратных и трудоёмких процессов при разведке и разработке месторождений. На сегодняшний день известно более сорока способов бурения, но главным, по-прежнему остаётся механическое. За двести лет развития оно приблизилось к пределу своих возможностей. Разрушение происходит при высоком давлении инструмента на породу и сопровождается высокими потерями энергии. С увеличением крепости пород возрастает и скорость износа рабочих элементов буровых инструментов, поднимаются энергозатраты и время. При увеличении крепости пород и диаметра скважины себестоимость механического бурения увеличивается в геометрический прогрессии, а трудности передачи в забой достаточного количества энергии, связанные с большими расходами на вращение буровой колонны кратно снижают коэффициент полезного действия. Дмитрий, я всё правильно говорю?

– Азбучные истины глаголите, профессор! Если бы не ухищрения и мой добрый характер, – Дмитрий многозначительно посмотрел на меня, – цена каждой скважины глубиной в полтора километра улетала бы далеко за миллион долларов. Повезло, нашёл место, где наши Левши недорого «напыляют» алмазные буровые долота.

Профессор кивнул, сменил сцену и перед всеми отразилась таблица энерго-затрат:

Ударное – 190 – 260;

Вращательное – 160-200;

Гидроимпульсное – 15;

Электротермическое – 1 400;

Лазерное от 1500 до 3000;

Огневое и плазменное – 1500;

Электрогидравлическое – 120;

Электроимпульсное – 25-50.

– Перед вами отражены энергозатраты в киловатт*часах на разрушение кубометра породы средней прочности при бурении разными способами, – продолжал профессор. – Обратите внимание, на последнюю строчку. Именно электроимпульсным бурением я занимаюсь последние тридцать лет. Впрочем, давайте не будем тянуть кота за хвост.

По центру сцены возникла шестигранная призма с толстыми стенками. Ближе к концу она переходила в конус и далее в профиль квадратного сечения. Дмитрий начал вращать виртуальную копию объекта и рассматривать его со разных ракурсов.

– Фитинги для шлангов… Разъёмы для кабелей и технологические отверстия под винты. Чёрт побери, профессор, я не дурак, не подумайте. Московский геологоразведочный институт закончил с красным дипломом. Что это за хреновина?

– Это, молодой человек, и есть моё ноу-хау. Головка комбинированного бурения «ГКБ-7», точнее коронка от неё.

– Буровая коронка… Шестиугольная?!

– Именно. Посмотрите внимательней.

– Какие-то отверстия.

– Это не отверстия, а каналы для введения электродов и циркуляции жидкого диэлектрика, – пояснил профессор и, дотронувшись до модели, разделил её на две части. – Камера дезинтеграции, – профессор развернул один из сегментов с конической частью к зрителям. – Процесс разрушения выглядит следующим образом, прошу внимания, – на экране сменялись схемы, и профессор пояснял. – Комбинированное, ультразвуковое, гидроимпульсное, СВЧ и электроимпульсное воздействие в диэлектрической жидкости пробивает каналы в породе образуя шестигранный керн, который, в свою очередь, попадает в камеру дезинтеграции, где подвергается разрывающему воздействию импульсов тока и разрушающим гидроударам силой сто сорок тысяч атмосфер. Порода разрушается на частицы размером от двух миллиметров до десяти микрон, а образовавшаяся пульпа проходит через фильтры, выкачивается насосами и транспортируется либо на оборотную центрифугу, либо по системе трубопроводов поступает к обогатительному оборудованию.

– Прошу подробностей, профессор! – Дима сделал глаза, как у кота из Шрека. – Обещаю, буду молчать как рыба. Какая производительность у вашей головки?

– Не менее сорока метров в час в кварцитах и сто восемьдесят в гипсовом камне.

Дмитрий вылупил глаза, но на этот раз промолчал.

– Действительно, – поддержал я Дмитрия, – расскажите нам устройство и принцип работы. Думаю, многим будет полезно ознакомиться с ключевой технологией проекта.

– Если публика требует, – профессор помял папку в руках. – Единственное, попрошу не перебивать. Мне бы хотелось уложиться в отведённое время, не люблю, знаете ли, людей задерживать. Начнём, пожалуй, с теории. Электроимпульсное бурение исследуется в Томском НИИ высоких напряжений более пятидесяти лет. Построены десятки ЭИ-бурильных установок, накоплен колоссальный опыт. Как я говорил, разрушение породы происходит за счёт воздействия мощного электрического разряда, точней, пробоя высокого импульсного напряжения, соответствующего по амплитуде электрической прочности породы. Процесс идёт в приповерхностной зоне забоя скважины, заполненной жидким диэлектриком. В зависимости от задачи используется либо техническая вода, либо жидкость на основе жидкого стекла.

Эффективность импульсного бурения не зависит от крепости пород и глубины скважины и определяется только параметрами электрического пробоя, взрывной характер которого вызывает напряжения, вызывающие хрупкое разрушение скального грунта без потерь энергии на пластическую деформацию, так как прочность горных пород на разрыв на порядок ниже, чем на сжатие.

– То есть, чем прочней порода, тем эффективней разрушение? Видите, профессор, я тоже кое-что понимаю! – добавил Дмитрий.

– Совершенно верно. Если взять кварцит, то по прочности на сжатие он отличается от песчаника в семь раз, а по электрической менее чем в два раза. А теперь посмотрите вот сюда, – смена видеопотока, все увидели похожие на молнии кистевые разряды от электродов. – Обратите внимание на сеть радиальных трещин, убывающих по мере удаления от канала пробоя. Два этих явления идут друг за другом. В результате электрического пробоя в поверхностном слое породы образуется канал разряда, а после начинается разрушение твёрдого тела под действием механических напряжений, возникающих в результате расширения канала.

За годы исследований мы избавились от «детских болезней», в частности, найден материал с высокой вязкостью разрушения для изоляции высоковольтных электродов – радиационно-облучённый сверхвысокомолекулярный полиэтилен, рассчитан оптимальный размер разрядного промежутка между электродами, а также уровень рабочего напряжения для разных видов материалов.

Импульсные конденсаторы, трансформаторы и выключатели заменены на свои сверхпроводниковые аналоги. При охлаждении конденсаторов до температуры жидкого азота в замкнутом магнитопроводе возможно поддерживать очень большие токи без приложения дополнительного напряжения. Новые схемы высокочастотного преобразования напряжения в сто с лишним раз подняли энергетические характеристики сверхпроводниковых индукторов на основе иттрий-бариевой керамики. Доработан контакт Джозефсона и сверхпроводящие трансформаторы без сердечника, позволяющие сократить величину потерь… – профессор оглядел зал, увидел кислые лица. – Пожалуй, теории с вас хватит. Достаточно знать того, что силовая электроника модулей размещена в капсуле из нержавейки, охлаждается жидким азотом, а силовыми ключами управляет нейросеть через операционную систему. Параметры импульсов в зависимости от породы генерируются с помощью технологий машинного обучения.

– Профессор, а не проще ли сделать буровую головку большего диаметра?

– Нет! Мы в институте изготавливали буры диаметром по полтора метра, как сплошные, так и кольцевые. При испытаниях всплыл такой факт, что с увеличением диаметра бура, частота импульсов падает пропорционально, а чем она выше, тем больше объём разрушений и соответственно скорость бурения. Сформировать из типовых элементов разрушающий орган нужного диаметра и формы энергетически эффективней и дешевле. Собственно, – профессор закашлялся, – технологией объединения модульных буровых головок в кластер я занимался все эти годы, – он словно фокусник разделил шестигранную коронку вдоль. – Так как инструмент при работе не вращается, мы можем формировать коронку из сегментов любой формы. Плоские или угловые пластины для внутренних секций, закруглённые или зубчатого профиля для периферии щита. Но мы отвлеклись.

Итак, повторюсь, принцип автоматического, программируемого, распределения разрядов по большой площади забоя при использовании многоэлектродных конструкций головок позволяет обеспечить непрерывность процесса разрушения пород без каких-либо специальных мер, вроде вращения и сложных каскадов импульсов. У каждой буровой головки свой, независимый, источник импульсов, а значит, с ростом диаметра, повышается плотность энергии на единицу площади забоя. Говоря простыми словами, чем больше головок и чем больше диаметр щита, тем эффективней происходит разрушение. Немыслимое, с точки зрения механических способов проходки, явление.

Электроимпульсное бурение отличается малым износом бурового инструмента и допускает его изготовление из недорогих сталей. В отличие от механических способов, к коронке не требуется прилагать значительных усилий. Достаточно обеспечивать стабильный контакт инструмента с массивом породы. На первом этапе для проходки тоннелей мы планируем использовать раму с головками, установленную на колёсный или гусеничный ход. При необходимости наборную головку можно прикрепить к манипулятору робота или стреле экскаватора, весит она немного.

После этих слов глаза у Дмитрия расширились и стали похожи на блюдца, а профессор, довольный производимым эффектом, как ни в чём не бывало продолжил:

– Эффект электроимпульсного пробоя используется и в разработанных мной установках резания камней. При этом глубина щели ровна шестидесяти сантиметрам, а производительность – восемь квадратных метров в час. Энергозатраты на квадратный метр составляют от двух до восьми Квт*часов. По сравнению со взрывными работами щелевая резка и последующий скол массива кварцитов ЭГ-ударом повысят выход годного камня с трёх процентов до восьмидесяти. Резак можно использовать как для дноуглубительных работ, так для резки льдов. Сфера его применения отлично подходит для наших задач.

Вторая важная составляющая головки – электрогидроимпульсный дезинтегратор. Он разрушает каменные породы в два раза эффективней, чем механические дробилки и намного быстрей. Дезинтеграция (разрушение) проходит, по границам минеральных зёрен, достигается высокая степень раскрытия сростков, зёрен и кристаллов минералов без их разрушения, ошламования и размазывания. Идёт работа над выделением узких фракций минералов по классам крупности с дальнейшей обработкой частиц в ЭГ-дезинтеграторе, что позволит нам радикально сократить число обогатительного оборудования.

– Профессор, а все эти ваши чудеса уже работают? Руками потрогать можно!

– С нашей стороны всё готово. Ожидаем сверхпроводящие ленты из Японии. Три-четыре месяца, и первую партию головок можно отправлять на испытания. Модули СВЧ, ультразвукового и гидроимпульсного бурения готовы полностью.

– Если всё, о чём вы нам рассказали, работает, современное буровое оборудование можно выкидывать на помойку. И если можно, в двух словах о других ваших модулях. Хочу понять, как всё работает в связке?

–В двух словах, наверное, не выйдет, – профессор немного задумался. – Что сказать, эти модули критически важны. С их помощью мы увеличили производительность ЭИ-бурения на порядок. В СВЧ (сверхвысокочастном) модуле передача электромагнитного импульса в породу происходит в режиме резонанса. До девяносто пяти процентов энергии импульса передаётся в породу, в результате чего она ослабляется и разрушается по каналам теплового пробоя. Мы пока подбираем наиболее эффективные комбинации импульсов промывочной жидкости, мощности и частоты импульсов тока, СВЧ и ультразвука. Посмотрите, – Антон Игоревич вывел на экраны новые модели странной формы. – Перед вами генератор СВЧ в сборе, а вот этот медный цилиндр – проходной объёмный резонатор. От него, через гибкий волновод, энергия попадает в буровую коронку. Так мы и мощность сохраняем, и потери энергии сводим к нулю. Для конкретной породы, по фазе коэффициента отражения, механик-оператор производит настройку резонатора без демонтажа головки, путём изменения длины за счёт изменения количества регулировочных колец.

– Антон Игоревич! – прервал я. – Давайте без лишних подробностей.

– Хорошо, я действительно немного увлёкся. Перейдем к следующему модулю. Многие слышали про разрушение горных пород ультразвуком.

– А некоторые даже и работали! – вставил Дмитрий своё слово.

– Тогда вам и понять будет значительно проще. Что такое звук?

– Упругие колебания воды, воздуха, любой среды.

– Верно. Увеличение частоты колебаний приводит к росту мощности звуковой волны. При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости появляются давления и разряжения, сопровождающиеся возникновением растягивающих усилий. В местах разрывов образуются многочисленные малые пустоты – кавитационные пузырьки. При смене разряжения давлением они как бы «схлопываются», генерируя гидравлический удар в несколько тысяч атмосфер. Доработкой модуля занимается фирма «Промтех». Их конструкторы на этом деле не одну собаку съели, – он вопросительно посмотрел на меня.

– Переговоры с собственником только начались, но принципиальное согласие на продажу озвучено, – пояснил я.

– Отличная новость! – профессор вновь повернулся к слушателям. – Сами колебания генерирует магнитострикционный излучатель из железокобальтового сплава, установленный в торце буровой головки. Под влиянием переменного магнитного поля она сжимается или растягивается с амплитудой сто микрон. Это много. Инженеры работают над увеличением амплитуды импульсов, – и осмотрев зал, Антон Игоревич пояснил, – увеличение амплитуды всего в два раза приводит к росту интенсивности ультразвука в квадрате, соответственно глубина проникновения ультразвуковых колебаний в призабойную зону значительно возрастает. Уже достигнута плотность энергии звука, эквивалентная давлению четыреста атмосфер.

На экранах появилось новое изображение.

– Поршневой насос гидроимпульсного модуля, – продолжил профессор, – генерирует струи жидкости с давлением тысяча атмосфер, а вот это роторно-пульсационное устройство, – он показал новый узел, – сглаживает и генерирует импульсы нужной нам частоты, заодно поднимая давление в несколько раз. В этом аппарате, а он, как и сам насос, слава богу, серийный, ничего дорабатывать не пришлось. Здесь и здесь, – он выделил рукой несколько последовательно установленных ступеней роторов и статоров, —небольшой зазор между ступенями, где находится активная рабочая зона. В аппарате обработке подвергается не весь объём жидкости, а её небольшая часть, которая проталкивается через отверстия в роторе и статоре, и кавитация возникает за счёт вихреобразования и турбулентности потока.

Струи жидкости с высокой скоростью и давлением не только вымывают частиц породы из забоя, но сами являются дополнительным разрушающим фактором, оказывающим как механическое, так и ударное, срезывающее, истирающее воздействие. Гидродинамические воздействия наиболее сильные – сдвиговые напряжения, турбулентность и пульсации давления.

Если вопросов по модулю нет, переходим к моему любимому детищу, – он в предвкушении потёр руки. – Способы бурения, о которых шла речь, лишь формируют шестиугольный забой, а вот керн, образующийся при таком процессе, разрушает электрогидравлический дезинтегратор. Совместно с электроимпульсным он производит девяносто процентов полезной работы.

В основе электрогидравлического эффекта лежит мало исследованное явление резкого увеличения гидравлического и гидродинамического эффектов и амплитуды ударного действия, при осуществлении импульсного электрического разряда в ионопроводящей жидкости, при условии максимального укорочения длительности импульса, максимально крутом фронте импульса и форме импульса, близкой к апериодической.

– И что это значит? – вопрос из зала.

– При электрогидравлическом дроблении порода разрушается ударной волной, порождаемой мощным электрическим разрядом в воде. Так, надеюсь, понятно?

– Более чем, – ответил кто-то из зала.

– Основными факторами, определяющими возникновение электрогидравлического эффекта, – продолжал профессор, – являются амплитуда, крутизна фронта, форма и длительность электрического импульса тока. Длительность импульса тока мала и мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч Киловатт. Крутизна фронта импульса тока определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков Киловольт, амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч Ампер. Процесс приводит к резкому, лавинообразному возрастанию давления в жидкости, формирующему гидроудар до сто сорока тысяч атмосфер.

Высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления приводят к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями. Возникают импульсные перемещения жидкости, совершающиеся со скоростями, достигающими сотен метров в секунду, кавитационные процессы, инфра и ультразвуковые излучения, и механические резонансные явления, которые не оставляют шансов полуразрушенному керну.

Производительность, как и в случае электроимпульсного разрушения, не зависит от прочности пород и пропорциональна энергии разряда, запасаемой в конденсаторе и частоте следования разрядов. Дробление породы имеет избирательный характер. Наиболее слабые породы разрушаются в первую очередь, а металлические включения остаются целыми, что благоприятно для отделения самородных металлов и кристаллических некоторых минералов. Энергозатраты зависят от степени дробления и составляют от двух до восьми кВт*часов на тонну породы. Оператор, через контроллер, задаёт размер фракции, от которых и зависит скорость разрушения, а значит проходки.

– Значит, буровые головки – это своеобразные мобильные дробилки? – спросил Дмитрий.

–Вы совершенно правы, молодой человек. Такая конструкция больше походит для быстрого разрушения пород и их гидротранспортировки.

– Есть какие-либо подводные камни?

– А где их нет? Что при электрогидравлическом дроблении, что при электроимпульсной дезинтеграции, рабочий конец электрода, как и разрушаемая порода, подвергается действию ударной волны. Скорость разрушения электродов два сантиметра в час. В первых моделях мне приходилось постоянно их извлекать и зачищать вручную, но теперь они самозатачивающиеся и рассчитаны на непрерывную работу. Особые валки подают с катушки в каналы кабель-электрод по мере расходования. Коронка изготовлена из вязкой стали MAGSTRONG А500 с высоким пределом текучести. Несмотря на то, что сталь не имеет прямого контакта с породой она интенсивно истирается вследствие воздействия ударов, давления и постоянного контакта с абразивными частицами. В зависимости от прочности породы её хватает на срок от трёх недель до двух месяцев. Рассчитываем в три раза увеличить износостойкость стали. По составленному нами техническому заданию сейчас в «НИИ стали и сплавов» разрабатывают сталь с пределом текучести до трёх тысяч МПа. Шаманят с пропорциями карбидов тантала и ниобия. Коронки будем не лить, а печатать индукционным 3D принтером, тем самым повысим износостойкость и уменьшим цену на порядок.

– Сколько же стоит одна головка, подсчитывали? – спросил Тимур.

– Сейчас, с учётом импортных комплектующих стоимость силовой электроники двенадцать тысяч долларов. При полном цикле производства цена снизится раз в десять. Извините, моё время вышло. Подведу итог: за час непрерывной работы головка разрушит три куба кварцитов или одиннадцать кубов гипсового камня. За сорок четыре месяца, соответственно – семьдесят тысяч кубаметров кварцитов или триста пятьдесят две тысячи гипса. Чтобы уложиться в обозначенный срок, потребуется произвести одиннадцать тысяч семьсот восемьдесят головок. Учитывая, что кольцевой забой разрушает не более пяти процентов от объёма породы, расход электроэнергии на разрушение кубометра кварца семнадцать КВт*часов, а гипса – четыре. При суммарной электрической мощности работающих головок в пятьсот пятьдесят МВт для разрушения пород и их транспортировки потребуется семнадцать млрд. КВт*часов.

– Энергия дело наживное! Если всё обстоит так, как вы рассказываете, – воодушевился Дмитрий, – я буду самым большим вашим сторонником. Подскажите, а буровой модуль долго менять?

– Износ коронок равномерный. Замена осуществляется одновременно, вручную, точно так как я вам демонстрировал. Одновременно производится замена катушек электродов и доливка жидкого азота в систему охлаждения. Время работ зависит от конструкции рамы и устройства проходческого щита, а это, извините, уже не моя стезя.